一种考虑封闭框架剪切变形和刚性节点的内力计算方法技术

本发明专利技术提供了一种考虑封闭框架剪切变形和刚性节点的内力计算方法，包括如下步骤：①确定结构；②确定计算简图；③确定计算模型；④限制模型自由度；⑤约束侧移；⑥确定抗剪刚度系数；⑦调整计算模型；⑧结构计算分析。本发明专利技术计算结果精度满足规范要求，且达到了快捷准确的目的，同时充分利用结构力学求解器的功能强大、操作方便，使计算结果可信度高，便于推广运用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种考虑封闭框架剪切变形和刚性节点的内力计算方法，属于水利水电工程

技术介绍
根据我国水电行业现行规范要求，对于水电站厂房蜗壳、尾水管、贯流式机组管形座、河床式厂房进口段、水下墙墩和基础底板等厂房下部实体结构，可按独立结构切取平面框架进行计算，对于大型厂房宜考虑空间作用，必要时进行厂房整体三维有限元结构分析。平面框架法计算时，根据切取部位杆件的相对刚度，当上部杆件相对刚度和底板相对刚度接近时，按封闭框架计算。封闭框架由底板、顶板和若干隔墩组成，相比于一般框架将结构与基础的连接简化为支座不同，封闭框架中包括基础底板，其实质为弹性地基上的框架。封闭框架与地基连续接触，相当于底板与地基之间有无穷多个支座，即封闭框架为无穷多次超静定结构。目前工程实际中一般忽略底板与地基的连续接触关系，直接将地基反力施加在封闭框架底板上，将无穷多次超静定结构转换为有限次超静定结构，从而简化计算。平面框架法计算时，杆件计算长度以结构中心线为准，当杆件截面厚度较大，高跨比h/l大于0.15，需考虑剪切变形和刚性节点的影响，以提高计算精度。剪切变形是指当杆件在两相邻的横截面处有一对垂直于杆轴，但方向相反的横向力作用时，该两截面沿横向力方向发生相对的错动变形。剪切变形是引起杆件弹性位移的因素之一，剪切变形引起的位移计算公式为：ΔQ=Σ∫kF‾QFQPGAds]]>式中：ΔQ——剪切变形引起的结构弹性位移，m；——虚设单位荷载引起的剪力，kN；FQP——实际荷载引起的剪力，kN；GA——杆件截面的抗剪刚度，kN；k——切应变截面形状系数，如矩形截面k＝6/5。对于一般框架结构，其位移主要是由弯曲变形引起的，轴向和剪切变形的影响很小，为简化结构计算一般忽略轴向和剪切变形。但对于厚截面框架，剪力引起的变形占结构总变形的比重较大，为满足计算精度要求，应考虑剪切变形的影响。在框架杆件之间的刚性连接处，实际上总是形成一个结合区。当结合区的尺寸较小时，结合区可以简化为一个点，这就是“节点”的概念。但当结合区尺寸较大时，则应考虑结合区尺寸的影响。一种近似的考虑方法是把结合区看作刚性区，把各杆件端部进入结合区的一段看作刚性段。水电行业中把这种杆件端部进入结合区的一段看作刚性段的方法称之为刚性节点。刚性段具有在外力作用下不发生变形的能力，即刚性段内杆件截面假设为无穷大，抗弯刚度EI、抗拉刚度EA及抗剪刚度GA均为无穷大。目前，水电行业考虑封闭框架剪切变形和刚性节点影响的内力计算方法主要有结构力学法和有限元法。采用结构力学法计算时，忽略杆件轴向变形，忽略框架侧移影响，忽略底板与地基的连续接触关系，直接将地基反力施加在封闭框架底板上，再通过计入剪切变形和刚性节点影响的公式，计算杆件形常数和载常数，然后按力矩分配法人工手算结构内力。有限元法采用有限元计算软件，在人工干预下自动完成结构计算。两种方法各有优劣：传统结构力学法采用人工手算，计算繁杂、简单重复多、效率低、出错率高，但结构概念明确，工程实践经验丰富，计算结果得到了众多工程验证。有限元法借助计算机辅助设计手段，工作量小，计算过程出错率低，但计算网格剖分随意性比较强，人为因素影响较大，选择的结构单元不同，计算的结果也不同，且应力结果具有网格尺寸效应，工程实践经验较少，可靠性有待验证。因此，现行规范仍推荐采用结构力学法为主，对于大型工程必要时进行整体三维有限元结构分析复核。公开号为CN103970519A的中国专利公开了一种使PKPM程序按水电规范设计水电工程框架结构的方法，该专利通过自定义PKPM软件的SATWE模块“自定义组合及工况”表，实现常规水工上部框架结构按水电规范进行设计。PKPM软件PK模块可实现平面框架结构计算，但该模块不具有考虑剪切变形和刚性节点的功能。因此，不能采用PKPM软件进行考虑剪切变形和刚性节点的平面封闭框架计算。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种考虑封闭框架剪切变形和刚性节点的内力计算方法，该考虑封闭框架剪切变形和刚性节点的内力计算方法计算结果精度满足规范要求，且达到了快捷准确的目的，同时充分利用结构力学求解器的功能强大、操作方便，使计算结果可信度高，便于推广运用。本专利技术通过以下技术方案得以实现。本专利技术提供的一种考虑封闭框架剪切变形和刚性节点的内力计算方法；包括如下步骤：①确定结构：根据平面框架法的基本原理将厂房下部实体结构分区切取单宽平面框架，根据切取部位杆件的相对刚度，当上部杆件相对刚度和底板相对刚度相差不足10％时，按封闭框架计算；②确定计算简图：框架杆件计算长度以结构中心线为准；根据高跨比判断，对于需要考虑剪切变形和刚性节点的杆件，将各杆端部进入框架杆件结合区的一段作为杆件刚性段，杆件结合区以外的部分作为杆件柔性段，从而确定封闭框架计算简图；③确定计算模型：从“结点定义”、“单元定义”、“支座定义”和“荷载条件”四个方面结合将框架结构图简化为结构计算模型；④限制模型自由度：根据结构力学几何构造分析中两刚片连接规则，将地基和封闭框架均看作刚片，用一个铰和一个链杆相连，且链杆及其延长线不通过铰，组成几何不变且无多余约束的体系；⑤约束侧移：在框架计算模型中具有侧移的位置，设置附加链杆约束框架侧移，使计算模型成为无侧移框架；⑥确定抗剪刚度系数：获取切应变截面形状系数k0，确定取抗剪刚度系数k＝1/k0；⑦调整计算模型：在结构计算模型中设置任意防侧移的附加链杆以对结构计算模型进行修正，并对结构计算模型中“材料性质”中“抗拉刚度EA”、“抗弯刚度EI”和“抗剪刚度kGA”进行调整，对于刚性段，将“抗拉刚度EA”、“抗弯刚度EI”和“抗剪刚度kGA”三项参数均调整为无穷大，对于柔性段，“抗拉刚度EA”调整为无穷大，“抗弯刚度EI”和“抗剪刚度kGA”取杆件实际刚度值；⑧结构计算分析：根据上述步骤确定并修正的结构计算模型，利用结构力学求解器进行内力或者位移计算。所述步骤⑧中的结构力学求解器，为清华大学袁驷教授主持研发的结构力学计算机辅助分析计算软件StructuralMechanicsSolver。所述步骤③中将框架结构图简化为结构计算模型通过结构力学求解器完成。本专利技术的有益效果在于：计算结果精度满本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑封闭框架剪切变形和刚性节点的内力计算方法，其特征在于：包括如下步骤：①确定结构：根据平面框架法的基本原理将厂房下部实体结构分区切取单宽平面框架，根据切取部位杆件的相对刚度，当上部杆件相对刚度和底板相对刚度相差不足10％时，按封闭框架计算；②确定计算简图：框架杆件计算长度以结构中心线为准；根据高跨比判断，对于需要考虑剪切变形和刚性节点的杆件，将各杆端部进入框架杆件结合区的一段作为杆件刚性段，杆件结合区以外的部分作为杆件柔性段，从而确定封闭框架计算简图；③确定计算模型：从“结点定义”、“单元定义”、“支座定义”和“荷载条件”四个方面结合将框架结构图简化为结构计算模型；④限制模型自由度：根据结构力学几何构造分析中两刚片连接规则，将地基和封闭框架均看作刚片，用一个铰和一个链杆相连，且链杆及其延长线不通过铰，组成几何不变且无多余约束的体系；⑤约束侧移：在框架计算模型中具有侧移的位置，设置附加链杆约束框架侧移，使计算模型成为无侧移框架；⑥确定抗剪刚度系数：获取切应变截面形状系数k0，确定取抗剪刚度系数k＝1/k0；⑦调整计算模型：在结构计算模型中设置任意防侧移的附加链杆以对结构计算模型进行修正，并对结构计算模型中“材料性质”中“抗拉刚度EA”、“抗弯刚度EI”和“抗剪刚度kGA”进行调整，对于刚性段，将“抗拉刚度EA”、“抗弯刚度EI”和“抗剪刚度kGA”三项参数均调整为无穷大，对于柔性段，“抗拉刚度EA”调整为无穷大，“抗弯刚度EI”和“抗剪刚度kGA”取杆件实际刚度值；⑧结构计算分析：根据上述步骤确定并修正的结构计算模型，利用结构力学求解器进行内力或者位移计算。...

【技术特征摘要】
1.一种考虑封闭框架剪切变形和刚性节点的内力计算方法，其
特征在于：包括如下步骤：
①确定结构：根据平面框架法的基本原理将厂房下部实体结构分
区切取单宽平面框架，根据切取部位杆件的相对刚度，当上部杆件相
对刚度和底板相对刚度相差不足10％时，按封闭框架计算；
②确定计算简图：框架杆件计算长度以结构中心线为准；根据高
跨比判断，对于需要考虑剪切变形和刚性节点的杆件，将各杆端部进
入框架杆件结合区的一段作为杆件刚性段，杆件结合区以外的部分作
为杆件柔性段，从而确定封闭框架计算简图；
③确定计算模型：从“结点定义”、“单元定义”、“支座定义”和
“荷载条件”四个方面结合将框架结构图简化为结构计算模型；
④限制模型自由度：根据结构力学几何构造分析中两刚片连接规
则，将地基和封闭框架均看作刚片，用一个铰和一个链杆相连，且链
杆及其延长线不通过铰，组成几何不变且无多余约束的体系；
⑤约束侧移：在框架计算模型中具有侧移的位置，设置附加链杆
约束框架侧移，使计算模型成为无侧移框架；
⑥确定抗剪刚度系数：获取切应变截面形状系...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈仁宏，陈本龙，马青，文浩，王家明，史国坤，
申请(专利权)人：中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：贵州;52